Spintronica is misschien niet het soort woord dat in alledaagse discussies naar voren komt, maar het zorgt al jaren voor een revolutie in de computertechnologie. Het is de tak van de natuurkunde die betrekking heeft op het manipuleren van de spin van een stroom elektronen, die eind jaren negentig voor het eerst de consument bereikte in de vorm van magnetische harde schijven voor computers met honderden keren de opslagcapaciteit van hun voorgangers.

Deze en andere elektronische apparaten zijn sindsdien verfijnd om computers weer vele malen krachtiger te maken, om nog maar te zwijgen van veel koeler en energiezuiniger, waardoor alles mogelijk is, van mp3-spelers tot de smartphones van vandaag. Intel en Google begonnen vorig jaar met de onthulling van kwantumprocessors, en Samsung en Everspin hebben een paar maanden geleden MRAM-chips (magnetic random access memory) gelanceerd. Deze nieuwe technologie zal naar verwachting de computerprestaties aanzienlijk verbeteren - met één schatting, bijvoorbeeld, de potentiële vermindering van de stroomvereisten zou meer dan 99% kunnen zijn.

Toch, al deze vorderingen hebben te maken gehad met een belangrijke beperking:de spinmanipulatie is beperkt tot een enkele ultradunne laag magnetisch materiaal. Tientallen van deze lagen zijn typisch gestapeld in een "sandwiched" structuur, die interageren via complexe interfaces en interconnects, maar hun functionaliteit is fundamenteel 2-D van aard.

Marktleiders zoals Stuart Parkin, die IBM's originele spintronics-aangedreven computer harde schijf creëerde, de Deskstar 16GP Titan, zeggen al jaren dat een van de grootste uitdagingen bij magnetisch computergebruik is om over te schakelen naar een veel flexibelere en capabelere 3D-versie.

Hierdoor zou informatie worden verzonden, opgeslagen en verwerkt over elk punt van de driedimensionale stapel magnetische lagen. Recente baanbrekende vorderingen beginnen deze paradigmaverschuiving dichterbij te brengen, maar we staan ​​nog steeds voor grote uitdagingen om dezelfde mate van controle te bereiken als in twee dimensies.

In een nieuwe paper onder leiding van de universiteiten van Glasgow en Cambridge, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Hamburg, de Technische Universiteit Eindhoven en de Aalto University School of Science, we hebben een belangrijke stap gezet om dat doel te bereiken.

Spins en kosten

Traditionele elektronica is gebaseerd op het feit dat elektronen elektrische ladingen hebben. Op een gewone computer, chips en andere eenheden verzenden informatie door kleine elektrische pulsen te verzenden en te ontvangen. Ze registreren een "een" voor een puls en een "nul" voor geen puls, en door deze te tellen over miljoenen herhalingen, het wordt de basis van een instructietaal.

Traditionele magnetische harde schijven zijn ook afhankelijk van eigenschappen die verband houden met elektrische ladingen, maar ze werken volgens een ander principe, met zeer kleine gebieden van een platte magnetische schijf die nullen en enen opnemen via zijn twee mogelijke magnetische oriëntaties. Magnetische schijven hebben het grote voordeel dat gegevens er nog zijn, zelfs als de stroom is uitgeschakeld, hoewel de informatie veel langzamer wordt geregistreerd en opgehaald dan met behulp van de transistors die we in computercircuits vinden.

Spintronica is anders:het maakt gebruik van zowel de lading als het intrinsieke magnetisme van elektronen, ook wel de spin genoemd. Het verschil tussen spin en lading wordt soms vergeleken met de manier waarop de aarde om de zon draait, maar tegelijkertijd ook om zijn as draait. Maar terwijl elektronen altijd negatief geladen zijn, ze kunnen "omhoog" of "omlaag" draaien.

Eind jaren tachtig werd ontdekt dat als een elektrische stroom werd geleid door een apparaat dat werd gevormd door een niet-magnetische plaat tussen twee magnetische platen, de weerstand van dit apparaat tegen de elektronenstroom zou drastisch veranderen, afhankelijk van de oriëntatie van de magneten in de twee magnetische platen.

Dit effect werd gemakkelijk misbruikt op harde schijven, waarbij deze spintronische systemen fungeren als zeer gevoelige sensoren die veel meer nullen en enen van magnetische informatie binnen hetzelfde gebied kunnen lezen dan eerdere harde schijven, waardoor de opslagcapaciteit wordt getransformeerd. Bekend als gigantische magnetoweerstand, dit leverde later de Nobelprijs voor Natuurkunde op voor Albert Fert en Peter Grunberg, de twee wetenschappers die het tegelijkertijd ontdekten.

Chirale spintronica

Sinds de geboorte van spintronica, er zijn veel belangrijke vorderingen gemaakt, waaronder enkele recente opwindende in een gebied dat chirale spintronica wordt genoemd. Terwijl we gewoonlijk denken aan twee magneten met een "noord" en "zuid" die naar elkaar toe of van elkaar af draaien langs een lijn van 180º - kijk bijvoorbeeld naar het kompas aan het einde van deze video - onder bepaalde omstandigheden, kleine magneten op atomair niveau vertonen ook chirale spin-interacties. Dit betekent dat naburige magneten de voorkeur hebben om onder hoeken van 90º te oriënteren.

Het bestaan ​​van deze interacties is een belangrijk ingrediënt voor het creëren en manipuleren van pseudodeeltjes, magnetische skyrmionen genaamd, die topologische eigenschappen hebben waardoor ze computertoepassingen effectiever kunnen uitvoeren, met een enorm potentieel om de gegevensopslag verder te verbeteren.

Tot nu, echter, chirale spin-interacties waren alleen waargenomen en geëxploiteerd in 2D-spintronica. In onze nieuwe krant we laten voor het eerst zien dat deze interactie ook kan worden gecreëerd tussen magneten die zich op twee aangrenzende magnetische lagen bevinden, gescheiden door een ultradunne niet-magnetische metalen laag.

Voor deze, we hebben een apparaat gemaakt met in totaal acht lagen met behulp van een techniek die sputteren wordt genoemd om dunne films op nanoschaal af te zetten. We moesten de interfaces van de lagen zorgvuldig afstemmen om andere magnetische interacties in evenwicht te brengen, en we bestudeerden het gedrag van het systeem onder magnetische velden bij kamertemperatuur met behulp van lasers. De manier waarop het apparaat zich gedroeg, werd bevestigd door complementaire magnetische simulaties uitgevoerd door onze medewerker aan de Universiteit van Hamburg.

Deze ontdekking opent nieuwe spannende routes om verdere 3D-spintronische effecten te benutten, waarbij chirale spin-interacties een cruciale rol spelen om compactere en efficiëntere manieren te creëren om magnetische gegevens op te slaan en te verplaatsen door de hele 3D-ruimte. Toekomstig werk zal zich richten op het vinden van manieren om de kracht van deze interactie te vergroten en het aantal apparaten uit te breiden waar het effect aanwezig is. We verwachten dat ons werk grote belangstelling zal trekken binnen de spintronic-gemeenschap en de industrie zal stimuleren om te blijven werken aan magnetische computerapparatuur op basis van deze radicaal nieuwe concepten.

De eerste impact van spintronica op de computermarkt was extreem snel:het duurde slechts acht jaar vanaf de ontdekking van gigantische magnetoweerstand tot de lancering van IBM's Deskstar 16GP Titan in 1997. De sprong naar 3D moet nog steeds meerdere obstakels overwinnen, van het nauwkeurig fabriceren van de benodigde apparaten tot het benutten van magnetische interacties in onconventionele computerarchitecturen. Onze recente ontdekking brengt ons een stap dichter bij het bereiken van deze zeer uitdagende maar opwindende doelstelling.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.